Teooria ülesanded laetakse üle ESTIS-e kodulehel.

Praktilise ülesande lahendamise päev on 24.-25. aprill, ülesande leiad siit.

Võitjad kuulutatakse välja ja autasustatakse 30. aprillil. 

Edu ülesannete lahendamisel!

 

Lõppvõistluseks valmistumine

Et finaaliks kenasti valmis olla, anname siinkohal teada, mis asju võiks varuda selleks puhuks, sest lõppülesanne on praktilist laadi – ehk siis oma kätega on vaja midagi valmis ehitada. Lõppülesande puhul tasub tähele panna ka teooriaülesandeid – jah, need on vihjed! 

Alustagem tööriistadest: 

Akutrell ja erineva suurusega puurid – pole ilmtingimata vajalik, saab ka ilma hakkama, kuid teeb paljud asjad oluliselt lihtsamaks 

Käärid 

Naaskel – kui akutrell koos puuridega on olemas, siis pole vajalik 

Liimipüstol – pole ilmtingimata vajalik, saab ka ilma. Kui on, siis võib kasutada 

Silikoon koos silikoonipüstoliga – pole ilmtingimata vajalik, saab ka ilma. Kui on, siis võib kasutada 

Joonlaud 

Marker – saab ka ilma hakkama 

Materjalid: 

Grilltikud 

Plastikust supilusikad (vähemalt 8 tk) 

Vähemalt 5 plastpudelit (võiks olla ühesuurused) 

Joogikõrred 

Väike tükk vahtplasti või montaažvahtu – saab ka ilma hakkama, kui pole käepärast võtta 

Voolik (vt pilti) – saab ka ilma hakkama 

Lehtrid – saab ka ilma hakkama 

Plastiliin – saab ka ilma hakkama 

Isoleerteip – soovitus korraldajatelt: see võib asendada nii mõndagi asja, mille kasutamine pole ilmtingimata vajalik! 

Äädikas 

Sooda 

Niit 

Paber 

Vähemalt 2 väikest mänguautot (mänguautod ei saa võistluse käigus kahjustada) 

Vesi 

Papitükke – nt vana pappkast vms 

Väike õhuke kilekott (selline, mille sisse poes köögivilju pannakse) 

Asjad mida võib soovi korral samuti kasutada: 

Kummipaelad 

Erineval kujul puit 

Erinevat tüüpi teibid ja kleeplindid 

Pliiatsid 

Legod  

Erinevad tööriistad – tangid, näpitsad, kruvikeerajad, jms 

Võib kasutada ka muid käepäraseid materjale. Tingimuseks on see, et need ei ole automatiseeritud ega kasuta elektrit

---

Esimene teooriaülesanne ilmub teie ette juba 8. aprillil ning aega selle lahendamiseks on kuni 11. aprill kell 23:59 (ehk siis kuni teise ülesande avanemiseni). 

Kogu võistluse jooksul võite julgelt anda meile tagasisidet, mille esitamise link on siin. 

Teie tagasiside on väga väärtuslik ning aitab võistlust paremaks teha!  

Teie tagasiside on oodatud igasuguses vormis – teksti, video või pildi või hoopis muul kujul.  

Võite julgelt saata meile ka meeme, mille olete teinud meie võistluse kohta. Meeme võite esitada läbi selle sama tagasiside lingi või laadida neid üles meie ürituse FB lehele. 

Parimad meemid avaldame meie võistluse FB lehel. 

Iga nädala parimale meemile eriauhind! 

Ülesanded 2021

Turbiinid

“Kuniks mehaanikas liiguvad asjad sirgjooneliselt on kõik lihtne. Pane nad pöörlema või võnkuma ja kõik on peapeale pööratud”

Keskmine tudeng füüsika loengus 

Energiatehnoloogia Erialavõistluse esimese teooria ülesanne teemaks on turbiinid ja pöördliikumine, mille puhul on tegemist ühe olulisema komponendiga energeetikas alates tööstusrevolutsiooni aegadest. Kõige enam kasutatakse turbiine energeetikas, eeskätt erinevat tüüpi elektrijaamade elektrigeneraatorite jõumasinatena. Lisaks leiavad turbiinid kasutust reaktiivmootorites (lennukimootorid, laevamootorid) ja sisepõlemismootorite turbokompressorites.  

Ajalugu 

Turbiinide ehitus 

Turbiinid energeetikas 

Maailma esimene soojuselektrijaam, mis tootis elektrit avalikku võrku oli Edison Electric Light Station, mis rajati Londonisse aastal 1882. Selle võimsus oli 93 kW (võrreldes tänapäeva seadmetega, siis keskmine veekeetja on umbes 2 kW). Samal aastal rajas Edisoni ettevõte oma elektrijaama ka New Yorki, Pearl Street Power Station. Jaam suutis anda elektrit (kasutati peamiselt valguse tootmiseks) kogu Manhattani saare alumisele piirkonnale.  

Erakordne Edisoni jaamade puhul oli see, et toodeti alalisvoolu. See aga pani võrgupiirkonnale peale suured piirangud, kuna elektri edasikandmisega kaasnes märkimisväärne pingelangus.  

Vahelduvvoolu elektrivõrk hakkas arenema 1886. aastal, kui George Westinghouse ehitas vahelduvvoolul põhineva elektri ülekandmise süsteemi kasutades pinge tõstmiseks ja langetamiseks transformaatoreid. Sellisel kujul oli kogu süsteem palju odavam ehitada ning kaod võrgus olid samuti oluliselt väiksemad. Süsteem oli juba üsnagi sellise näoga nagu ta on seda ka tänapäeval.  

Miks on turbiin energeetika seisukohalt nii oluline? 

Vahelduvvoolu tootmiseks kasutatakse generaatoreid, mis muundavad pöördliikumise kineetilise energia elektrienergiaks ehk siis – generaatorit peab miski ringi ajama ja see miski on just nimelt turbiin.  

Auruturbiini abil elektri tootmine on väga vähese paindlikkusega – katlad, reaktorid ja aurugeneraatorid on loodud töötama kindlal võimsusel ning nende koormuse muutmine on väga piiratud, kuna üldiselt on nende koormus seotud nende seadmete mahuga. Lisaks vajavad auruturbiini kindlat töörõhku ja piisavat aurukogust, et tööle hakata. 

Elektri tootmise seisukohalt on suurepärased hüdroturbiinid, kuna nende võimsust on oluliselt lihtsam reguleerida kui auruturbiini oma ja nende pöörlemissagedust on samuti lihtne hoida.  

Tuuleturbiinid, mis on Eesti jaoks olulised taastuvelektri tootmise allikad on sageduse ja võimsuse poolest täiesti juhitamatud.  

Põhjus, miks  elektrivõrgu poole pealt on eelistatud just nimelt auru- ja hüdroturbiinidega tootmisseadmed peitub elektrivõrgu toimimises. Elektrivõrgu, eriti just võrgu ühtede olulisimate komponentide jaoks on ülioluline parameeter sagedus. See peab olema kogu elektrivõrgu ulatuses sama ja sünkroonis, selle jaoks, et kogu voolu ülekande süsteem toimiks.  

Meil Euroopas on elektrivõrgusageduseks 50 Hz, Ameerikas ja mõningal osal Aasiast on võrgus sageduseks 60 Hz. Miks nii – sest ajalooliselt on nii jäänud. Transformaatoritele oleks oluliselt efektiivsem oleks tegelikult töötada märksa kõrgematel sagedustel. Kuna aga võrgu arenemise faasis oli kokku lepitud sagedusega 50 Hz (Euroopas), siis hiljem ei hakatud seda enam muutma, sest see oleks nõudnud liiga suuri investeeringuid seadmete ümbertegemiseks. Lisaks on voolu ülekandmisel aga parem, kui tegemist oleks madalamate sagedustega.  

Elektri tootmise puhul paneb sageduse paika turbiini pöörlemine, mis omakorda paneb paika generaatori pöörlemise. Korrektne sagedus on oluline eeskätt transformaatorite jaoks, mis on kasutusel elektrivõrgu pinge reguleerimisel. Auruturbiinide puhul on pöörlemissagedust on üsnagi hõlbus hoida konstantsena kontrollides turbiini antava auru kogust ja parameetreid. Hüdroturbiinide puhul saab reguleerida vee vooluhulka.  

Turbiinide teema ülesanne 

Eesti suurima potentsiaaliga taastuvelektri allikas on tuul ning tuulegeneraatori võimsust tuule kiiruse ja turbiini laba pikkuse järgi arvutatakse järgmiselt: 

Kus  

P – võimsus (W) 

ρ – õhu tihedus (kg/m³) 

v – tuule kiirus (m/s) 

r – turbiini laba pikkus (m) 

Suurus  8/27 tuleneb Betz’i piirist ning märgib efektiivsust. 

Eesti tuuleparkide elektri toodangut saab jälgida Eleringi veebis. 

Eesti elektri tootmist ja tarbimist saab samuti jälgida Eleringi veebis. 

Tuule kiiruse mõõdetud tulemused on olemas Eesti Ilmateenistuse lehel. 

1. Kui suur oli aastal 2020 Eesti suurim tuuleparkide poolt võrku antud elektriline võimsus (MW) ja millal see oli (kuupäev ja tund)? 
   Vastus: suurim võimsus, mis Eesti tuulepargid suutsid 2020. aastal elektrivõrku anda oli 289,2 MW ning see oli 24. veebruaril kell 12.00.

2. Mis on sellel ajal keskmine tuule kiirus? 
   Vastus: keskmine tuule kiirus sel ajal oli 8,62 m/s. Puhanguline kiirus ei ole keskmine tuule kiirus. 

3. Arvestades, et Eestis on hetkeseisuga ligikaudu 150 elektrivõrku ühendatud tuulegeneraatorit, kui suur on keskmine turbiini laba pikkus? 
   Vastus: keskmise laba pikkuse leidmiseks oleks vaja kasutada Eesti keskmist tuule kiirust, milleks on 3,5 m/s. Kasutades arvutustes ka keskmist tuulikute poolt genereeritud võimsust (100,3 MW) saame laba pikkuseks 36 m. 

4. Kui suur oli suurim ja vähim tuuleenergia toodangu osakaal Eesti elektri tarbimises 2020. aastal ja millal (kuupäev ja tund) need väärtused olid? 
   Vastus: suurim tuuleenergia toodangu osakaal Eesti elektritarbimises 2020. aastal oli 38% ning see oli 3. novembril kell 3 öösel, vähim tuuleenergia toodangu Eesti tarbimises oli 29. septembril kell 19.00.

5. Pildil on näidatud Eesti koostootmisjaamad. Kumb on suurem – kas Eesti tuuleparkide keskmine võimsus või taastuvkütustel töötavate koostootmisjaamade elektriline võimsus? (jäätmekütus arvestada taastuvkütuseks)
    Vastus: taastuvkütustel töötavate koostootmisjaamade elektriline võimsus on 144,6 MW, Eesti tuulegeneraatorile keskmine võimsus aastal 2020 oli 100,3 MW, seega oli 2020. aastal taastuvkütustel töötavate koostootmisjaamade elektriline võimsus suurem. 

---

Mehaanilised süsteemid

“Andke mulle kang ja toetuspunkt ning ma liigutan maakera paigast.“

Archimedes, ca 230 eKr  

Suurem osa meid ümbritsevatest asjadest on mehaanilised süsteemid. Erinevates vormides esineb neid kõikjal meie ümber. Näiteks pastakas – mehhaaniline süsteem, telefoni ümbris – küll staatiline, kuid siiski mehhaaniline süsteem, kuna erinevad jõud hoiavad seda telefoni taga kinni. Kõik füüsilised kehad on kuidagi vastastikmõjus teiste kehadega mõjutades neid ja moodustades niimoodi ühtse mehhaanilise süsteemi.

Kuigi mehhaanilisi süsteeme on erinvaid, taanduvad paljud nendest siiski ühel või teisel moel kangi printiisibile: võidad jõus, kaotad teepikkuses ning vastupidi. Sama printsiip töötab nii plokisüsteemides, hammasrataste ülekannetes kui ka jäikades jõu ülekannetes.

Kangi printsiip

Hõõrdetakistus

Distantside läbimiseks on inimesed välja mõelnud kõiksugused transpordiviise. Iga transpordivahendiga aga kaasneb ka takistus. Hõõrdejõud on oma olemuselt protsess, mille käigus muudetakse kineetiline energia soojusenergiaks ning seega kaob alati osa liikumisenergiast soojusena. Selleks proovitakse pidevalt leida viise, kuidas vähendada hõõrdumist. Mootorites kasutatakse hõõrdumise vähendamiseks enamasti õli, mis tekitab õhukese kihi mootori metallosade vahele, et kaks puhast metallpinda ei käiks kunagi üksteise vastu. Sellel põhjusel on ka talvel mõistlik enne autoga sõitma hakkamist lasta mootoril ning õlil veidi soojeneda, kuna tahkeks muutnud õli ei suuda oma suurenenud viskoossuse tõttu tungida väikeste detailide vahele. Samuti tuleb mootoriõli valikul jälgida ka tootja konkreetseid soovitusi, kuna olenevalt mootorist võib mootori, ja sellega ka mootoriõli, temperatuur tõusta nii kõrgele, et taaskord on õlist vähe kasu, kuna see on liiga vedelaks muutunud ja voolab metallosade vahelt lihtsalt välja.

Igiliikurid

Siiski ei suuda määrdevahendid kunagi kaotada hõõrdumist täielikult. Alati toimub molekuraalsel tasemel pinnakihtide hõõrdumine ka määrdeaine ja pinna vahel. Sellest tulenevalt pole kunagi võimalik luua ühtegi mehhanismi, mis käiks igavesti ilma välise abita. Seega on kõik perpetum mobile nime all reklaamitavad tooted tegelikult petukaup. 

Näiteks üks tuntumaid igiliikuri ideid tuli India matemaatiku Baskhara II (1114 – 1185) poolt, kes joonistas sektsioonideks jaotatud ratta väites, et kui igasse sektsiooni panna elavhõbe, voolab elavhõbe alati allapoole ning muudab ühe poole rattast raskemaks. Kui ratta üks pool on teisest raskem, proovib see pool alati jõuda kõige madalama energiaga olekusse ehk pöörata ennast alla ning seetõttu võiks see töötada igavesti ning sellega saaks ka inimestele energiat toota.

Kahjuks jättis ta aga arvestamata termodünaamika I seaduse. Termodünaamika I seadus räägib, et energia hulk suletud süsteeemis on jääv ning seda ei saa juurde tekkida või ara kaduda lihtsalt. Selle kohaselt ei oleks võimalik energiat, mida masin toodab, kasutada, kuna siis väheneks masinas energia ning see seiskuks ühel hetkel. Kuigi hetkel ei ole näha, et inimesed suudaksid kuidagi selle seadusega laveerides luua igiliikurit, võib soovi luua selline masin, pidada ikkagi igaveseks.

Mehaaniliste süsteemide ülesanne

M_pall = 200g 

X = 20 cm 

Sinine pall hakkab kolmnurga pealt veerema. Pinnale veeredes tabab see varrast, mille mass on võrreldes palliga tühine. See omakorda lükkab veerema teise palli, mis veereb mööda relssi kuni põrkub kaaluga.

Kui suure jõuga mõjutab pall varda alumist otsa?

Pall mõjutab varda alumist otsa jõuga 1,39 N. 
Siin oli vaja teha 2 eeldust – kolmnurk on võrdhaarne ning kiirendus, mis oli pallil kolmnurga alumises otsas on sama, millega see ka vastu varrast põrutab. 

Kui suure algkiirenduse saab teine pall?

Palli algkiirendus on 13,9 m/s² 
See tuleb jõu õla seosest – ülemine ots on 2 korda pikem, kui alumine, seega on jõud, millega varda ülemine ots palli mõjutab 2 korda suurem, sest ülemine ots on pool alumisest. 

Kui suure jõuga mõjutab teine pall kaalu kokkupõrke hetkel?

Pall mõjutab kaalu jõuga 2,78 N 
Siinkohal on suurim küsimus mida teha raskusjõuga – vastus: mitte midagi! See mõjub risti, seega see jõud, millega varras mõjutas palli on sama, millega pall mõjutab kaalu. 

Leida teoreetiliselt maksimaalne number, mida kaal võiks näidata palli ja kaalu kokkupõrke hetkel. Hõõrdejõude mitte arvestada ning eeldada täielikult elastset deformatsiooni.

Arv, mida kaal võiks näidata on 0,283 kg 
Vaja lihtsalt jõud raskuskiirendusega läbi jagada.  

---

Pumbad 

Ajalugu 

Süda 

Pumpadest lähemalt 

Pump on vedeliku, gaasi või auru rõhuenergiat suurendav ja neid teisaldav seade. 

Pumpade töö põhineb imemisel ja surumisel või mõlemal korraga. Pumpasid liigitatakse kasutusala, pumbatava vedeliku, energiaallika (elekter, aur, tuul vm.), ehituse ja tööpõhimõtte järgi. Tööpõhimõtte poolest võib kõik pumbad jaotada kahte suurde rühma – dünaamilisteks ja mahtpumpadeks. Dünaamilised pumbad on labapumbad, jugapumbad, elektromagnetilised pumbad, õhktõstuk, vesioinas. Mahtpumpade rühma kuuluvad edasi-tagasi liikuva tööorganiga kolb-, tiib, membraan- ja vibropumbad ning pöörleva tööorganiga rootorpumbad, ning veetõstuk. 

Hüdrostaatiline rõhk, absoluutne rõhk,  ülerõhk, alarõhk 

Maa gravitatsiooniväljas omavad vedelikud ja gaasid (nagu kõik teised kehad) kaalu. Seetõttu avaldab vedelik rõhku nõu põhjale ja seintele ning ka vette asetatud kehadele. Hüdrostaatilisel rõhul on kaks peamist omadust: hüdrostaatiline rõhk mõjub risti pinnaga ning vedeliku mingis punktis mõjuv hüdrostaatiline rõhk P (Pa) on kõikides suundades ühesuurune.

P=F/A 

F – jõud (N) 

A – pind (m²) 

Ülerõhk ehk manomeetriline rõhk p (Pa) on tingitud vedeliksama rõhust ehk mõõtepunkti sügavusest ja vedeliku tihedusest 

p=𝜌gh 

ρ – tihedus (kg/m³) 

g – raskuskiirendus (m/s²) 

h – vedelikusamba kõrgus (m) 

Kui lisada manomeetrilisele rõhule ka õhurõhk, siis on tegemist absoluutse rõhuga. Juhul, kui absoluutne rõhk on väiksem kui õhurõhk, on tegemist vaakumiga. Sellisel juhul on manomeetriline rõhk negatiivne suurus. 

Kavitatsioon 

Vedeliku imemine pumpa toimub rõhkude vahe tõttu imemisruumis ja pumbas. See tähendab, et madalaim rõhk süsteemis peab olema tööorganis. Kui aga absoluutõhk pumbas langeb alla küllastunud auru rõhu, tekib kavitatsioon (st vedelik pumbas hakkab keema – tekivad gaasimullid). Kavitatsiooni tõttu pumba tootlikus ja surve vähenevad, langeb kasutegur. Pikemaajalisel esinemisel muutub pumba tööratas kasutuskõlbmatuks. Kavitatsiooni saab vältida kui osta võimsam pump või vähendada näiteks olemasoleva pumba pöörlemissagedust (vooluhulga vähenedes väheneb ka kavitatsioonioht). Ka torustikes võib kavitatsiooni ilmneda madalama rõhuga osades, milleks on enamasti torustiku kitsamad osad, põhjustades seeläbi torustiku kiiret kulumist.

What is Cavitation and How Does it Work? või What is Cavitation and How Does it Work? 

Hüdrauliline löök 

Ehk oled majas kraani kinni pannes kuulnud torustikes heli. Sa oled kuulnud hüdraulilist lööki. See tekib, sest rõhk torustikes muutub järsult, mida põhjustab voolukiiruse äkiline muutumine.  Nii vedelik kui toru materjal on mingil määral elastsed, seetõttu lausa jäika lööki ei teki, ometi mingites olukordades võib rõhukasv olla väga suur, ning purustada torustiku. 

Pumpade teema ülesanne

Ül1 Anuma põhjale mõjuv rõhk sõltub: (vali õiged väited) 

1) anumas oleva aine tihedusest 
2) anuma kujust 
3) aine kihi kõrgusest anumas 
4) aine massist 
5) aine pinnale mõjuvast rõhust 

Vastus: Anuma põhjale mõjuv rõhk sõltub anumas oleva aine tihedusest, aine kihi kõrgusest anumas ja aine pinnale mõjuvast jõust. 

Ül2 Ott Tänak ja Martin Järveoja sõidavad Mehhiko rallil teelt välja ja lendavad järve, auto hakkab kiiresti vajuma järve põhja. Kuna Ott ja Martin on mõlemad šhokis. Mis on maksimaalne sügavus, kus nad suudavad veel auto ukse lahti teha? Ott ja Martin on treenitud mehed, seega suudavad nad avaldada uksele 1 kN · m jõudu. Lihtsuse mõttes oletame, et vett sisse ei leki. Auto ukse laius on 1 m ja kõrgus on 1,1 m. Rõhk auto salongis võtta võrdseks atmosfääri rõhuga, kuna lekkeid ei ole. Üleslükkejõudu mitte arvesse võtta. Vastus anda kahe kümnendkoha täpsusega.

Vastus: Selles ülesandes oli vaja arvestada, et Ott ja Martin avaldavad jõudu uksele hingedest kõige kaugemas punktis – sellega kellelgi probleemi polnud. Kui nüüd arvestada, et nad kahepeale kokku suudavad avaldada uksele jõudu 1000 N, siis oleks vastavaks sügavuseks 9 cm. Kui arvestada, et kumbki suudab nii palju jõudu avaldada, siis tuleks tulemuseks 18 cm. (kõik tulemused, mis olid ligilähedased ükskõik kummale tulemusele loeti õigeks). Kummalgi juhul siis tegelikult – kui auto on vette kukkunud, siis üsna tõenäoline, et ust lahti suruda ei õnnestu.  

Ül3 Oled kodus. On juunikuu öö. Sa vajud rammestunud voodisse ja mõtled. “Kasvuhoonegaasid on oma töö teinud. Ei enam vihma näe siin Eestis. Ma ei jaksa seda ploomipuud enam kannuga kasta. Ma pean muretsema endale pumba. Aga millise?” Õnneks sul on tiik, mida varustab allikas. Aga sul on probleem. Su ploomipuu asub tiigist 11 m kõrgemal, ning torustiku pikkus peab olema 60 m. Kui võimas pump tuleks valida, kui vooluhulk peab olema 15 L/min? 

Vastus: Kuna kasutegurit ja hõõrdetakistust arvesse võtta polnud vaja, siis oleks vajalik pumba võimsus 27

W.  

---

Gaasid. Keemilised reaktsioonid 

Kui kahe või rohkema aine aatomid korralduvad ümber, et moodustada uut ühendit, räägime, et on toimunud keemiline reaktsioon. Enamik keemilisi reaktsioone on pöördumatud. Mõni reaktsioon võib olla pööratav, kuid vajada selleks soojust või rõhku. Näiteks saab metallile tekkinud raudoksiidi kuumutada kõrgahjus, kus see muutub uuesti rauaks ja hapnikuks. 

Üks pöördumatu reaktsioon on puidu põlemine. Põlemisel puidu süsinikuaatomid reageerivad õhuhapnikuga ja moodustavad tuha, suitsu ning süsinikdioksiidi ja veeauru. Puidu molekulid hakkavad kuumuse toimel lagunema, mille tulemusel tekivad lendosised (puugaas – valdavalt CO, H₂) ja söed. Need reageerivad seejärel hapnikuga moodustades põlemise lõppsaadused – süsihappegaas ja veeaur. Hapnikuga reageerimise käigus eraldub tohutus koguses soojust puidumolekulide seoseenergia arvelt. Tuhk, kui mittepõlev mineraalne osa, on samuti üks puidu põlemise lõppsaadustest. 

Korrosioon 

Keemiliste reaktsioonide toimumist on võimalik ka vältida. Võtame näiteks metallid, mis võivad hävineda nii õhu, gaaside, pinnase, vee ja kemikaalide toimel. Metalle saab kaitsta näiteks protektor-, anood- ja katoodkaitsmega. Metallide korrosioon võib kulgeda keemilise või elektrokeemilise mehhanismi järgi.  

Keemiline korrosioon toimub kuivades gaasides ja orgaanilistes vedelikes (nafta, bensiin). Kõrgtemperatuurne gaaskorrosioon esineb metallurgiaprotsessides (sulatamine, valamine, kuumvaltsimine) ja seadmetes (kollete restid, aurukatelde küttepinnad, sisepõlemismootorite klapid, silindrid, kolvid, gaasi väljalasketorud, elektriahjude kütteelemendid). Gaaskorrosiooni puhul kattub metallipind enamasti korrosioonisaaduste kihiga, mis ei lase oksüdeerijat metalli pinnale ja korrosioon aeglustub.  

Gaaskorrosiooni kaitseks kasutatakse peamiselt järgmisi meetodeid:  

1) legeerimist, st sulamile lisatakse kuumuspüsivust tõstvaid elemente;     

2) kaitsepindamist;  

3) kaitsegaasikeskkondade loomist (kasutatakse põhiliselt metallide kuumtöötlemisel). 

Elektrokeemilise korrosiooni tõttu hävinevad metallid merevees, hapete, aluste ja soolade lahustes, sulasoolades, niiskes õhus ja pinnases uitvoolude osavõtul. Elektrokeemiline korrosioon tekib välisallikast saabuva alalisvoolu (tramm, keevitusseadmed) toimel. Intensiivne korrosioon toimub näiteks ka seal, kus uitvoolud torustikust pinnasesse suunduvad.   

Elekrokeemilise korrosiooni kaitse viisideks on:  

1) pindamine. Keemiliselt püsivama metalliga katmine on üks vanemaid ja levinumaid viise metallide kaitsmisel korrosiooni vastu. Kui pindemetall on põhimetallist keemiliselt vähem aktiivne, siis on tegemist katoodpindega (Cu, Ni, Sn või Ag on rauale katoodpindeks). Katoodpinne kaitseb seni, kuni kaitsekiht on vigastamata. Anoodpinne kaitseb metalli ka siis, kui selles on põhimetallini ulatuvaid vigastusi. Nii kaitseb tsinkpinne rauda praktiliselt seni, kuni kogu tsingikiht on lahustunud.  

2) kaitsemäärded;  

3) polarisatsioon. Polarisatsiooni kasutades metallkonstruktsiooni korrosioon pidurdub. Olenevalt metalltarindi polariseerimise viisist eristatakse protektor-, katood- ja anoodkaitsemeetodit. Protektorkaitse korral ühendatakse metallkonstruktsioon isoleeritud juhtme abil temast aktiivsema metalliga, nn protektoriga, mis on moodustunud galvaanipaaris lahustuvaks anoodiks. Protektoriks kasutatakse Zn, Mg, Al. Kaitstav metall töötab katoodina ja praktiliselt ei korrodeeru. Katoodkaitse korral ühendatakse alalisvooluallika negatiivne poolus kaitstava metallkonstruktsiooniga, positiivne poolus abielektroodiga (vanad torud, rööpatükid). Pinnases asetatakse anood eriümbrisesse, mis koosneb kipsi, koksi ja keedusoola segust. Anoodkaitse korral ühendatakse kaitstav objekt alalisvooluallika positiivse poolusega ja abielektrood negatiivse poolusega. Anoodkaitsega ei kaasne metalli lahustumist, seega jääb ära keskkonna saastumine metalliioonidega.  

4) korrosiooninhibiitorid;  

5) vastava keskkonna loomine. Seadmete transportimisel, ladudes, aga ka allveelaevades, kasutatakse laialdaselt õhu kuivatamist silikageeliga – amorfse, niiskust aktiivselt imava ränihappega. 

Endo- ja eksotermilised reaktsioonid 

Keemilistes reaktsioonides võib soojus nii eralduda kui ka neelduda. Endotermilise reaktsiooniga kaasneb soojuse neeldumine. Seda soojusefekti loetakse positiivseks ning tähistatakse sümboliga ΔU või ΔH olenevalt sellest, kas reaktsioon toimub püsival ruumalal või püsival rõhul. Endotermilised reaktsioonid on paljud lagunemisreaktsioonid ja ka mõningad ühinemisreaktsioonid (nt N₂ + O₂ = 2NO). Eksotermilise reaktsiooniga kaasneb soojuse eraldumine, ning seda loetakse negatiivseks ja tähistatakse sarnaselt eksotermilise reaktsiooniga. Eksotermilised reaktsioonid on kõik põlemisreaktsioonid ja paljud ühinemisreaktsioonid (nt C + O₂ = CO₂).  

Paisupaak 

Paisupaagi põhiline ülesanne on kompenseerida vedeliku temperatuuri tõusust tekkivat paisumist.  

Paisupaagid jagunevad ehituselt kaheks: 

• membraanipaisupaagid – gaasilist keskkonda ja vedelikku eraldab teineteisest kummist membraan. 
• kottpaisupaagid – gaasilist keskkonda ja vedelikku eraldab teineteisest kummist kott. 

Clapeyroni võrrand  

Claperyoni võrrand on ideaalse gaasi olekuvõrrand. Ideaalgaasiks nimetatakse gaasi mille molekulide vahel puuduvad vastastikused jõud, ning molekulide maht loetakse tühiseks. 

pV = nRT, kus  

p – rõhk (Pa)  

V – gaasi ruumala (m³) 

n – gaasi hulk (moolides) 

R – universaalne gaasikonstant 

T – temperatuur (K) 

Le Chatelier’ printsiip  

Kui keemilise tasakaalu korral muutub mingi osapoole kontsentratsioon, temperatuur, ruumala või rõhk, siis keemilise reaktsiooni toimumise suund on vastupidine selle teguri muutusele. Ehk tasakaalus süsteemile rõhu rakendamine sunnib süsteemi liikuma seisu, mis vähemalt osaliselt vähendab selle rõhku. 

Miks korstendel on spiraalid? 

Keemiliste reaktsioonide ülesanded

1. Auto rehvis on õhk temperatuuril -10 ° C ja  rõhk 190 kPa. Mõne aja pärast tõuseb temperatuur kuni 10 ° C-ni. Leia, milline on nüüd rõhk rehvis. 

Vastus: Rõhk auto rehvis on arvutatav Clapeyroni valemi alusel, kusjuures temperatuuri puhul tuleb arvestada absoluutse temperatuuri väärtusi. Selle kohasel rõhk auto rehvis pärast temperatuuri tõusu on 204 kPa. 

2.Sõidad maale vanaema juurde. Paraku poolel teel saab autol bensiin otsa. Sinu õnneks juhtub just sõber mööda sõitma ning nõustub sind hädast välja aitama pakkudes võimalust pumbata bensiini tema autost välja, et saaksid lõpuni sõita. Otsustate sifoonida (pumbata) bensiini välja. Sifooni kõrgeim punkt on 2 m kõrgemal kui kütusepaak ning anum, kuhu bensiin sifoonitakse on 0,75 m madalamal kui kütusepaak. Sifooni läbimõõt on 4 mm ja hõõrdekadu sifoonis on tühine. Määrake minimaalne aeg 4 L bensiini paagist anumasse sifoonimiseks ja rõhk sifooni kõrgeimas osas. Bensiini tihedus on 750 kg/m3. Õhurõhk on 1 atm ja tihedus 1,29 kg/m3.

Vastus: Kui hõõrdetakistust mitte arvesse võtta kulub bensiini sifoonimiseks 1 minut ja 23 sekundit. Bensiini voolamise kiiruse leiab Bernoulli võrrandist ning vooluhulk on võimalik leida siis, kui korrutada viimane läbi sifooni ristlõike pindalaga. Kusjuures, siinkohal ei mängi sifooni harja kõrgus mitte kõige vähimatki rolli – oluline on anumate kõrguste vahe.  

Rõhk sifooni kõrgeimas punktis on samuti leitav Bernoulli valemi abiga ning selle tulemuseks on 81,1 kPa. 

3. Kuumaõhupalli ballooni maht on 1700 m³ ja mass 160 kg. Reisijakorvi, gaasipõleti ja kütuse mass kokku on 150 kg. Milline peab olema gaasi (õhk) temperatuur balloonis, et see jaksaks kanda 10°C õhus 400 kg reisijaid? 

Vastus: Õhu tihedus õhupalli balloonis peaks olema 0,834 kg/m³ ja see vastab õhu temperatuurile 155 °C. Ülesande lahenduses tuleb arvestada millised jõud tirivad ballooni allapoole ja millised ülespoole. Allapoole tirivad kuumaõhupalli massist tingitud raskusjõud mgmg ja kuumaõhupalli balloonis oleva kuuma õhu massist tingitud raskusjõud VBρBgVB𝜌Bg (ρ_B on balloonis oleva õhu tihedus) 

Ülespoole lükkab üleslükkejõud ehk ümberpaigutatavale keskkonnale mõjuv üleslükkejõud. Ümberpaigutatavaks keskkonnaks on meil 10°C õhk, mida on sama palju kui on ballooni maht. Sellest tulenevalt tuleb välja kirjutada jõudude tasakaalu võrrand ning avaldada balloonis oleva õhu tihedus. 

---

Transport  

 

Liikumine ja transport on üks inimkonna alustalasid. Jala on küll tore liikuda, kuid mõne sõiduki abiga on seda palju kiirem teha. Esimesed paadid ehitati tõenäoliselt juba ca 8000 eKr, kuid mootoriga sõiduvahendid jõudsid kasutusse alles 19. sajandil.

Transpordi tähtsust tänapäeva ühiskonna normaalsel toimimisel on raske alahinnata. Me transpordime iga päev miljoneid tonne tooteid ühest kohast teise. Kiire transport on väga suur hüve. Me tajume seda alles siis, kui Alibabast tellitud asjadel võtab pikalt aega, et Hiinast meie postkasti jõuda.

Transpordiahel koosneb mitmetest osadest. Hetkel sõidavad enamus transpordiahela sõiduvahenditest fossiilkütustega. Fossiilkütustega on hea algust teha transpordi arendamisel, kuna tegemist on laialt levinud energiaallikaga, kuid siiski on selle ressursid piiratud ning sellega kaaseb märkimisväärne kahju keskkonnale. Kuna aga hetkel pole igakülgselt paremat alternatiivi välja mõeldud, on need endiselt domineerivas rollis.

Üks põhjus, miks fossiilkütused on endiselt domineerivad tuleneb energiaallikate keemilisest struktuurist. Erinevatel kütustel on erinev energiatihedus. See näitab seda, kui palju energiat vabaneb ühe kilogrammi kütuse kasutamisel. Võrdluseks enam kasutatavateke kütustele on allolevas tabelis toodud ka patareide ja akude energiatihedus. Siit tuleb hästi välja, miks ei ole veel võimalik luua akudel töötavat elektrilennukit – akude energiatihedus on nõnda madal, et vajaliku energiakoguse mahutamiseks kuluv akude mass on nii suur, et oleks tõeline väljakutse saada selline lennuk õhku tõusma.

Hetkel on transpordis veel parimad lahendused bensiin ja sisepõlemismootor. Allpool on näha tüüpiline sisepõlemismootori ülesehitus. Sisepõlemismootori tähtsaimad osad on põlemiskamber ehk silinder, kolb ja väntvõll. Põlemine toimub põlemiskambris, mis on ühes küljest piiratud kolviga, mis saab gaasi paisudes liikuda. Kui gaasi põlemisel gaas soojeneb ja selle ruumala suureneb, liigub kolb alla. Kolvi liikudes lükkab see ka väntvõlli pöörlema. Et mootor jookseks sujuvalt ja oleks tasakaalustatud, peab järgmine plahvatus toimuma siis, kui väntvõll on 90 kraadi pööranud.

Kui jõud on antud edasi väntvõllile, kantakse see edasi mootori külge kinnitatud käigukastile. Käigukast kombineerib erinevate suurustega hammasrattaid, millega saab mootorist tulevat jõudu erineva kiirusega edasi anda differentsiaalile ning see omakorda ratastele endale.

Takistus liikumisel

Kuna aga mootori ja rataste vahel on mitmeid liikuvaid osasid, tekib iga ülekanega väike kadu. See on tingitud lõtkudest, hõõrdumisest ja deformatsioonist. Need kokku aga võivad madaldada mootori kasulikku võimsust paar kuni paarteist protsenti. Lisaks jõuülekande kuludele, esineb veel teisigi kadusid, mis on seotud auto ülejäänud osadega. Kõikide liikuvate, ka veerevate, objektide vahel on takistus. Samamoodi on takistus ka rehvide ja maapinna vahel ning õhu ja autokere vahel.   

Nende takistuste vähendamiseks on pikalt vaeva nähtud. Näiteks jõuülekande kadude vähendamiseks loodi esiveoline auto, kus vedavad rattad on kohe mootori juures ning seega läheb vähem jõudu kaduma jõu liigutamisel ebavajalikult kaugele. Rehvide takistuse vähendamine on keerukam kuna rehvi eesmärk ongi haakuda maapinnaga ja autot hoida teel. Tänapäevane rehvitehnoloogia on eesmärk rehvide disainimisel on võimalikult väike takistus ühtlasel liikumisel, kuid samal ajal ka saavutada hea haakuvus teekattega.  

Oluline faktor auto liikumise juures on ka aerodünaamika. Tihti küll ei võeta seda arvesse koolifüüsikas, kuid tegu on äärmiselt olulise teguriga, kui kiirused on suuremad kui 30 km/h. Rattaga sõites on tunda, et juba seda kiirust on horisontaalsel pinnal keerukas tavalise rattaga hoida, kuna õhutakistus on sedavõrd suur. Aerodünaamilist takistust arvutatakse valemiga: 

kus Cd on aerodünaamilise takistuse tegur 

A eestvaate pindala (m²); 

r vedeliku (või gaasi) tihedus (kg/m³); 

v kiirus (m/s). 

---

Samamoodi on oluline ka Bernoulli printsiip, mis on otseselt seotud keha aerodünaamikaga. Bernoulli printsiibi kohaselt väheneb kiirenevas vedelikus või gaasis rõhk, kuna selle kineetiline energia kasvab ning kuna kogu süsteemi energia peab jääma samaks peab vähenema selle rõhuenergia, mis väljendub rõhukaona. 

Bernoulli printsiibi abil saab ka seletada, kuidas töötab lennukitiib. Kiiremini liikuv õhk tiiva kohal tekitab madalama rõhu ja kõrgem rõhk tiiva all surub tinglikult tiiba üles poole. Bernoulli võrrandit kasutatakse enamasti kujul: 

Kus  

z₁ on voolu geodeetiline kõrgus ühes punktis (m) 

p₁ on rõhk voolu ühes punktis (Pa) 

v₁ on kiirus voolu ühes punkis (m/s) 

z₂ on voolu geodeetiline kõrgus teises punktis (m) 

p₂ on rõhk voolu teises punktis (Pa) 

v₂ on kiirus voolu teises punkis (m/s) 

---

Kiiresti liikuvatel lennuvahenditel tekib hõõrdumine õhu osakeste ja kere vahel. Eriti suur hõõrdumine tekib teravate nurkade või äärte juures, kus õhk liigub aeglasemalt ning tänu Bernoulli printsiibile on siis rõhk suurem. Suurema rõhuga aga suureneb õhu temperatuur ning sellega ka lennuki kere temperatuur.

Kus

T on temperatuuritõus (K) 

T_∞ on välise õhu temperatuur (K) 

k on spetiifiline soojenemisnäitaja (õhus 1,4) 

Ma on Machi arv 

---

Transpordi teema ülesanded 

1. Leida Tesla Model S aerodünaamiline takistus, kui see liigub kiirusel 50km/h. Vastusele lisada ka keskmine auto eestvaate pindala, mida on arvutustes kasutatud. Keskmine aerodünaamilise takistuse tegur leida ise internetist.
   Vastus: Arvestades, et Tesla S mudeli eestvaate pindala on 2,418 m2 ja aerodünaamilise takistuse tegur (Cd) on 0,25, tuleb selle takistuseks 50 km/h liikumise puhul 75, 21 N. (kõik ligilähedased vastused on loetud õigeks). NB! Kiirus peab olema m/s!
2. Õhust tihedamate kehade lendamine on võimalik tänu erinevate füüsikaliste jõudude tasakaalule – kergitusjõud (või üleslükkejõud), pidurdusjõud (lennuki tiiva taha tekkivast turbulentsist), raskusjõud ja tõukejõud. Lendamise puhul peab üleslükkejõud tasakaalustama raskusjõudu ning tõukejõud peab ületama pidurdusjõudu. Lennuki puhul on tiivad üleslükkejõu tekitamiseks ja mootorid tõukejõu jaoks. Lendamise puhul tekib üleslükkejõud lennukitiiva omalaadsest kujust, mis põhjustab õhuvoolude voolamist erinevatel kiirustel tiiva peal ja all – vastavalt kiiremini tiiva pealt ja aeglasemalt tiiva alt. Olgu meil vaadeldavaks lennukiks Boeing 737, mille maksimaalne mass õhkutõusmisel on 80 t (tühi lennuk 41 t + 18 t kütus + muu tavaar). Tema tiivaulatus on 36 m ning tiibade pindala on 102 m². Leida rõhkude vahe lennukitiiva all ja peal.
   Vastus: Rõhkude vahe lennuki tiiva all ja peal on 7,7 kPa.3. Arvestades, et lennukid lendavad üldiselt 11 km kõrgusel ning temperatuur sellel kõrgusel on 217 K, siis hõõrdumisest tingitud temperatuuritõus on 271 K ning lennuki pinna lõplik temperatuur on 488 K.
3. Leidke kui palju lennuki pind soojeneb, kui lennuk liigub kiirusega Mach 2,5? Millise Mach 2,5 lennukiga on tegemist, kui see lennuk on ainus seda tüüpi lennuk, mis on ka Eestis maandunud?
   Vastus: Ainus Mach 2,5 tüüpi lennuk, mis on Eestis maandunud on F-15 Eagle.

FINAAL

Võistluse viimaseks ülesandeks on ehitada etteantud materjalidest (vaata nimekiri ja pilt) viiest elemendist koosnev Rube-Goldbergi masin, mille tulemusena sõidavad kaks väikest mänguautot üle finišijoone.  

Viis elementi, millest masin peab koosnema on:  

1. Vesiratas või tuule jõul liikuv tiivik 
2. Autonoomne mehaaniline pulbri (näiteks sooda) dosaator   
3. Vedeliku pump 
4. Keemiline reaktsioon, kus tekivad gaasid 
5. Potentsiaalse energia muundamine kineetiliseks 

Masinas võib olla rohkem elemente, kuid vastavalt hindamismaatriksile kuuluvad hindamisele eelnevalt mainitud elemendid.  

Masin peab töötama täiesti autonoomselt, lubatud on vaid teha esimene liigutus, mis paneb kogu ahela tööle – näiteks valada vett, vajutada millelegi peale, lükata midagi, puhuda või muud moodi kuidagi masin käivitada. 

Hindamismaatriksi ja eriauhindade kirjeldused leiad siit.

Finaalülesande lahenduse esitamiseks tee oma masina töötamisest video, lae see Youtube’i üles* ja edasta video link meile selle lingi kaudu hiljemalt 25. aprill kell 23:59. 

*video ei pea olema avalik, aga peab olema vaadatav kõigile, kellel on video link 

 

Küsimuste korral kirjuta! 

---